리튬이온 전지의 한계를 극복할 수 있는 미래 배터리용 새로운 무기 소재의 합성, 전기화학적 특성 및 첨단 X-선 결정학을 이용한 반응 메커니즘 연구
| 리튬이온 전지의 한계를 극복할 수 있는 미래 배터리용 새로운 무기 소재의 합성, 전기화학적 특성 및 첨단 X-선 결정학을 이용한 반응 메커니즘 연구 | |
|---|---|
| 제안자 | 홍승태, 박기성 |
| 자문교원 | 홍승태, 박기성 |
| 연도 | 2020 |
| 분류 | |
| 타입 | A형 과제 |
| 코스 | 장영실 |
| 매칭여부 | No |
| 참여학생수 | |
| 소개동영상 | |
제안 배경
리튬이온전지(LIB)는 에너지밀도와 출력 면에서 최고 이차전지로서 이동형 전자기기 뿐만 아니라 전기자동차용 전지로서 사용되고 있고, 나아가 대형 전력저장용 전지로도 이용될 전망이다. 최밀구조를 가진 LIB 양극소재에서 전이금속은 산화/환원을 더 할 수 있는 여지가 있는데 반해, 결정 내 리튬이온의 사이트 수는 한정되어 전지 용량은 이론적으로 거의 한계점에 와 있다. 그 결과, 에너지 밀도의 이론적 한계가 셀 기준 300 Wh/Kg 정도로 전기차에서 요구되는 500 Wh/Kg 에 훨씬 못 미처 순수 전기차의 대중화의 걸림돌이 되고 있어 에너지 밀도의 한계를 뛰어넘는 신 개념의 배터리 화학 및 전극 소재의 개발이 절실히 필요하다.
LIB는 충방전 시 1가 이온인 Li이 양/음극 소재의 결정 구조에 탈삽입되는 반응이 일어난다. 본 과제에서는 Li 대신 2가 금속 이온 (Mg2+, Ca2+, Zn2+)이 결정구조에 탈삽입되는 2가 이온전지를 연구하려고 한다. 2가 이상의 금속 이온이 전극 소재에 탈삽입될 때 1가 이온 전지보다 이론적으로 2~3배까지 용량 증가를 보일 수 있어 에너지 밀도의 breakthrough를 이룰 수 있기 때문이다 (그림 1 참조). 그러나, 이러한 연구는 전세계적으로 연구 초기 단계에 있어 향후 새로운 소재 및 화학반응을 발견할 가능성이 무궁무진하다고 할 수 있겠다.
| 그림 1. 전극 결정구조에서 Mn+ 이온이 탈삽입될 때 전지용량의 변화
(1가 이온에 비해 2가 3가 이온의 경우는 2~3배 증가가 가능). |
과제 목표
우선, Mg, Ca, Zn 와 같은 2가 이온이 전기화학적으로 삽입될 수 있는 결정구조를 가진 호스트 소재를 선정하여 합성하고 전극으로 제조하여 전기화학 셀을 구성하여 배터리 특성을 알아낸다.[1] 한편, 고급 X-선 회절을 이용한 ab initio 결정구조 분석법을 이용하여 결정구조 내에서 일어나는 금속이온의 탈삽입 반응 메커니즘을 밝히는 연구를 목표로 한다.
과제 내용
1 무기 호스트 소재의 합성
- 우선, Mg, Ca, Zn 와 같은 2가 이온이 전기화학적으로 삽입될 수 있는 결정구조를 가진 호스트 소재를 결정 내 cavity site, ion-diffusion path, 전이금속의 종류 및 원자가를 고려하여 선정하여 다양한 무기 소재 합성법을 이용하여 합성함.
- 이 과정을 통하여 학생들은 다양한 종류의 결정구조를 이해할 수 있고 스스로 결정구조 모델을 세워볼 수 있는 능력이 배양되고 몇 가지 기본적인 무기소재 합성 기술을 익히게 될 것으로 기대됨.
2 전기화학 (배터리) 특성 규명
- 합성된 소재를 전극으로 제조하고 전기화학 셀을 구성하여 배터리 전극으로서의 특성을 알아냄.
- 이 과정을 통하여 학생들은 전극 제조법, 배터리 셀을 구성하는 법, 전해질 제조법, cyclic voltammetry, 충방전 방법 및 소재의 기본적인 전기화학적 특성 분석법을 익히게 될 것으로 기대됨.
3 결정구조적 관점에서 금속 이온 탈삽입 반응 메커니즘 연구
- X-선 Rietveld refinement 분석법을 이용하여 합성된 소재의 결정구조를 명확히 분석함.
- 본 연구실에서 고유하게 개발한 X-선 회절을 이용한 ab initio 결정구조 분석법을 이용하여 결정구조 내에서 일어나는 Mg, Ca, Zn 이온의 탈삽입 반응 메커니즘을 결정화학 관점에서 명확히 밝히는 연구를 진행함.[2]
- 이 연구 과정을 통해서 학생들은 결정구조 모델로부터 X-선 회절 패턴을 시뮬레이션할 수 있고, Rietveld refinement technique를 익히고, 궁극적으로는 unknown structure를 스스로 알아낼 수 있는 능력을 갖게 될 것으로 기대됨.
참고자료
[1] M. Rastgoo-Deylami, M. S. Chae, S.-T. Hong*,"H2V3O8 as-a High Energy Cathode Material for Nonaqueous Magnesium-Ion Batteries" Chem. Mater. 30(21), 7464-7472 (2018).
[2] J. W. Heo, J. Hyoung, S.-T. Hong*, "Unveiling the Intercalation Mechanism in Fe2(MoO4)3 as a Cathode Material for Na-Ion Batteries by Structural Determination" Inorg. Chem. 57, 11901-11908 (2018).
